腰部可穿戴功能輔助機(jī)械臂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及可承重的協(xié)作式的可穿戴機(jī)械臂技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種利用肌電信 號、智能手環(huán)、腦機(jī)接口三種控制模式控制的腰部可穿戴功能輔助機(jī)械臂，適用于健康和殘 疾等多種人群，有效協(xié)助穿戴者日常生活和工作。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著近些年來服務(wù)業(yè)，制造業(yè)等相關(guān)行業(yè)對機(jī)器人的技能及效率提出的更高要 求，及機(jī)器人技術(shù)日新月異的發(fā)展，使得人們有更強(qiáng)烈的需求去探索更有效的機(jī)器人技術(shù) 來滿足人們的各項需求。但是機(jī)器人本身的性能改善與功能的增加，在目前的技術(shù)條件下， 還不足以在理解人的意圖的基礎(chǔ)上，去自主完成各項任務(wù)，協(xié)助人完成工作的要求。因此能 夠無縫連接人的智能和機(jī)器人技術(shù)中的定位、助力等技術(shù)具有實際意義。
[0003] 人的手臂的作業(yè)執(zhí)行了人的大部分生產(chǎn)生活活動，對健康人而言，手臂的活動在 多數(shù)情況下可以滿足工作和生活的需求，但是在某些情況下，只靠雙手的功能是不夠的，還 需要暫時放下手中的工作或者要求旁人的協(xié)助，如雙手負(fù)有重物同時需要開門或是雙手需 要固定工具的位置而同時需要拿取零件等。如果按照任務(wù)優(yōu)先級或者要求來決定多任務(wù)的 排序或者取舍，則不可避免地降低效率，因此，增加對雙手臂的功能支持在未來的工作及生 活中將會起到重要作用。對于功能正常的用戶，可以多手臂協(xié)調(diào)完成一些人的雙臂無法完 成的任務(wù)，如對于有傳染性或污染性的場合，人的手臂去直接接觸物品對人體自身可能會 帶來一定的危害，而穿戴式的機(jī)械臂可以很好地替代此類任務(wù)。此外還能起到分擔(dān)人體自 身手臂的工作壓力的作用。而對于具有手臂功能障礙，運動功能受損的人而言，可穿戴式助 力機(jī)械臂可很好的協(xié)助其完成日常所需，可穿戴式機(jī)械臂可以理解他們的運動意圖，完成 原本對于他們有困難去完成的任務(wù)。對于殘疾人尤其是截肢了的使用者來說，更是需要有 替代品來幫助他們完成一些日常所需的手部動作，如開門，取物，甚至刷牙，穿衣，購物等。 使得他們不需要在有人幫助下就能完成一些日常生活必須的運動，也能更好地保護(hù)他們 的隱私，提高他們的獨立能力，改善他們的生活品質(zhì)。
[0004] 經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)：
[0005] 中國專利公開號CN102846450A，發(fā)明名稱為：外骨骼機(jī)器人的腰部支撐部件及 外骨骼機(jī)器人。該技術(shù)主要提供了下肢康復(fù)裝置及腰部活動支撐件，該裝置可以起到腿部 助力及支撐腰部活動的功能，但是僅提供下肢助力是不夠的，缺少必要的人體功能拓展等 輔助機(jī)構(gòu)，不利于拓展人的活動功能，無法滿足多樣化的用戶需求。
[0006] 中國專利公開號，CN102793595A，發(fā)明名稱為：可穿戴式重型物資搬運助力仿生 外骨骼。該設(shè)計采用人體四肢助力，采用液壓和電機(jī)混合驅(qū)動，應(yīng)用于重型物資搬運助力， 節(jié)約體能。但是該類外骨骼需要四肢穿戴，因而會占用人的四肢活動，尤其是上肢的活動， 只能為四肢提供助力支持，但不能提供助手支持，協(xié)助人完成更為復(fù)雜的人機(jī)協(xié)同任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，將助力機(jī)器人和機(jī)器人機(jī)械臂自主功能 技術(shù)融合起來，提出了一種腰部可穿戴功能輔助機(jī)械臂，本發(fā)明拓展人體肢體功能，用以完 成一些需要多臂協(xié)助才能完成的任務(wù)，同時解決了運動功能受限的人的運動功能補(bǔ)充，改 善其生活品質(zhì)。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0009] 一種腰部可穿戴功能輔助機(jī)械臂，其特征在于，包括七自由度繩驅(qū)雙臂al、腰部穿 戴機(jī)構(gòu)a2、被動式下肢外骨骼助力機(jī)構(gòu)a3、控制驅(qū)動單元a4、計算機(jī)a5、電源模塊a6以及 自主控制模塊；其中：
[0010] 所述七自由度繩驅(qū)雙臂al固定在腰部穿戴機(jī)構(gòu)a2上；
[0011] 所述被動式下肢外骨骼助力機(jī)構(gòu)a3連接于腰部穿戴機(jī)構(gòu)a2 ;
[0012] 所述控制驅(qū)動單元a4、計算機(jī)a5以及電源模塊a6分別固定于腰部穿戴機(jī)構(gòu)的背 部面板上；
[0013] 所述計算機(jī)a5通過控制驅(qū)動單元a4與七自由度繩驅(qū)雙臂al控制連接；
[0014] 所述自主控制模塊與計算機(jī)a5數(shù)據(jù)連接；
[0015] 所述自主控制模塊包括如下任一個或任多個部件：
[0016] -智能手環(huán)a7;
[0017] _肌電采集陣列a8;
[0018] -腦機(jī)接口模塊a9。
[0019] 優(yōu)選地，所述七自由度繩驅(qū)雙臂al設(shè)有肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，所述肩關(guān)節(jié)具 有三個自由度，所述肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)分別具有兩個自由度，其中，肩關(guān)節(jié)的第一個自由度設(shè) 置于腰部穿戴機(jī)構(gòu)a2上，肩關(guān)節(jié)的第二個自由度和第三個自由度、肘關(guān)節(jié)的兩個自由度以 及腕關(guān)節(jié)的兩個自由度均采用模塊化兩自由度差動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)；所述肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和 腕關(guān)節(jié)分別通過驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動，所述驅(qū)動電機(jī)設(shè)置于腰部穿戴機(jī)構(gòu)a2上。
[0020] 優(yōu)選地，所述模塊化兩自由度差動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)包括第一傳動機(jī)構(gòu)bl、第二傳動機(jī)構(gòu) b2、第三傳動機(jī)構(gòu)b3、第一滑輪和第二滑輪，模塊化兩自由度差動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)通過第一傳動機(jī) 構(gòu)bl和第二傳動機(jī)構(gòu)b2的差動傳動與第三傳動機(jī)構(gòu)b3耦合實現(xiàn)俯仰和回轉(zhuǎn)兩自由度運 動；模塊化兩自由度差動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)通過與第一傳動機(jī)構(gòu)bl固連的第一滑輪b4和與第二傳 動機(jī)構(gòu)b2固連的第二滑輪b5完成動力的傳遞。
[0021] 優(yōu)選地，所述肩關(guān)節(jié)上固連有被動式重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，并設(shè)置于肩關(guān)節(jié)的第一自由 度c6和第二自由度c3之間；所述被動式重力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)通過在第一自由度c6的鉸接點c4 和第二自由度c3的鉸接點c5之間連接一支撐彈簧cl，通過支撐彈簧cl的伸縮實現(xiàn)對七自 由度繩驅(qū)雙臂的支撐作用，補(bǔ)償重力作用。
[0022] 優(yōu)選地，所述七自由度繩驅(qū)雙臂al，具有如下布線驅(qū)動方式：
[0023] 第一關(guān)節(jié)jl、第二關(guān)節(jié)j2、第三關(guān)節(jié)j3和第四關(guān)節(jié)j4形成肩關(guān)節(jié)，第一驅(qū)動電機(jī) ml直接驅(qū)動肩關(guān)節(jié)的第一關(guān)節(jié)jl，第二關(guān)節(jié)j2、第三關(guān)節(jié)j3和第四關(guān)節(jié)j4組成的模塊化 兩自由度差動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)俯仰和回轉(zhuǎn)運動，第二關(guān)節(jié)j2和第三關(guān)節(jié)j3分別通過 第一滑輪g2和第二滑輪g3驅(qū)動，驅(qū)動繩通過第一過度滑輪gl分別與第一滑輪組機(jī)構(gòu)tl 和第二滑輪組機(jī)構(gòu)t2連接，第一滑輪組機(jī)構(gòu)tl和第二滑輪組機(jī)構(gòu)t2分別連接至第二驅(qū)動 電機(jī)m2和第三驅(qū)動電機(jī)m3 ;
[0024] 第五關(guān)節(jié)j5、第六關(guān)節(jié)j6和第七關(guān)節(jié)j7形成肘關(guān)節(jié)，第六關(guān)節(jié)j6和第七關(guān)節(jié)j7 通過分別固連在第六關(guān)節(jié)j6和第七關(guān)節(jié)j7上的第三滑輪g5和第四滑輪g6驅(qū)動，第三滑 輪g5和第四滑輪g6的驅(qū)動繩通過第二過渡滑輪g4并經(jīng)過第一過度滑輪gl和第一滑輪g2 的過渡繞至驅(qū)動第三滑輪組機(jī)構(gòu)t4和第四滑輪組機(jī)構(gòu)t5,再經(jīng)過第三滑輪組機(jī)構(gòu)t4和第 四滑輪組機(jī)構(gòu)t5繞至第四驅(qū)動電機(jī)m4和和第五驅(qū)動電機(jī)m5 ;
[0025] 第一轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)j8、第二轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)j9和第三轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)j10形成腕關(guān)節(jié)，第一轉(zhuǎn)動機(jī) 構(gòu)j8和第二轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)j9分別通過第五滑輪g9和第六滑輪glO驅(qū)動，第五滑輪g9和第六 滑輪gl〇的繞繩通過第三過度滑輪g8并分別經(jīng)過第三滑輪g5、第二過度滑輪g4、第二滑 輪g3和第一過度滑輪gl過渡至第四滑輪組機(jī)構(gòu)t